DK147560B - Modtagerantenne for magnetiske signaler, f.eks. ferritantenne - Google Patents

Description

147560

Den foreliggende opfindelse angår en modtagerantennekreds af den art, som omfatter en hovedantenne og en dermed forbundet impedans, som for opnåelse af et bredt effektivt frekvensområde for antennekredsen er af typen "negativ impedans", der indbefatter en forstærker og en frekvensafhængig impedans, som imiterer hovedantennens impedanskarakteristik og via forstærkeren virker elektrisk eliminerende på antenneimpedansen.

Sædvanlige antenner virker ved at indgå i en resonanskreds, som ved frekvenser i et område omkring resonansfrekvensen frembyder en meget lille impedans, hvorved de modtagne svage radiobølger kan give anledning til et rimeligt kraftigt antennesignal, som så kan forstærkes i en modtager. I denne er anbragt en variabel afstemningskreds, som muliggør selektiv udskillelse af signaler med ganske bestemte frekvenser svarende til bestemte sendere, men antennekredsen er således indrettet, at den har et bredt resonansområde, således at den uden særskilt omstilling kan udnyttes til at modtage signaler fra mange forskellige sendere. Antennesignalstyrken vil dog være mærkbart svækket for frekvenser nær den øvre og nedre grænse af resonansområdet, og det er derfor almindeligt, at man i modtageren udnytter en særlig omskifter for tilpasning af antennekredsen til forskellige bølgeområder, f.eks. lang-, mellem- og et eller flere kortbølgeområder, idet man herved forbinder antennen med forskellige impedanser til ændring af antennekredsens resonansområde.

Det vil principielt være attraktivt, at antennen kan gøres anvendelig over et meget bredt frekvensområde, uden at der skal foretages nogen særlig omskiftning mellem forskellige områder, og det er da også tidligere foreslået, jfr. SE-FS 359,199, at en dipolantenne kan gives et stærkt udvidet effektivt frekvensområde ved at man som den frekvensafhængige impedans i antennekredsen benytter en såkaldt "nega- 2 147560 tiv impedans", der er en elektrisk kompensationskreds indrettet til at imitere antennens egen impedans og til ved hjælp af en tilhørende forstærker at addere den imiterede impedans til antenneimpedansen med modsat fortegn, således at den resulterende impedans ideelt bliver nul ved alle frekvenser. I praksis kniber det dog med at opnå dette ideelle resultat, fordi der uundgåeligt forekommer visse forskelle mellem frekvenskarakteristikkerne af henholdsvis antenneimpedansen og kompensationskredsen, og navnlig nær enderne af det brugbare, brede frekvensområde vil selv små forskelle være af afgørende betydning.

Opfindelsen har som et primært formål at angive en antennekreds af den nævnte art, ved hvilken der kan opnås en praktisk taget ideel eliminering af den resulterende antenneimpedans og dermed en god signalstyrke eller rådighedseffekt for alle frekvenser over et meget bredt frekvensområde.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved, at den frekvensafhængige impedans udgøres af en hjælpeantenne af samme art som hovedantennen, fortrinsvis en dermed ensdannet antenne. Når herved den "negative impedans" er baseret på en antenne og ikke på en syntetisk imitationskreds, vil enhver mulig uregelmæssighed i hovedantennens frekvenskarakteristik automatisk duplikeres i hjælpeantennen,således at også den tilstræbte eliminering af den resulterende impedans vil kunne opnås uanset de pågældende uundgåelige uregelmæssigheder.

Ved opfindelsen er det ydermere erkendt, at brugbarheden af den "negative impedans" til udvidelse af antennens effektive frekvensområde ikke er begrænset til dipolantenner, idet det viser sig, at et tilsvarende princip med meget stor fordel kan udnyttes i forbindelse med ferritantenner eller tilsvarende antenner, hvis virkning henfører sig til det magnetiske aspekt af de elektromagnetiske radiobølger, 3 147560 medens dipolantennen udpræget aktiveres af bølgernes elektriske felter. Som "negativ impedans" kan her ikke benyttes en kompensationskreds af samme type, som kendes fra nævnte SE-FS 359,199, men det viser sig, at en "negativ spole" er udmærket anvendelig, og den vil være særlige fordelagtig, når den er baseret på en antennespole med tilhørende magnetisk kerne svarende ganske til hovedantennen.

Ideelt benyttes to fuldkommen ens antenner, der anbringes nær ved hinanden uden indbyrdes induktiv kobling; den impedansmæssigt "negative" kobling mellem dem kan udvirkes på en sådan måde, at man næppe kan skelne mellem en hoved-og en hjælpeantenne, men blot konstatere, at den samlede kreds indeholder to ligeværdige antenner og en mellemliggende, elektrisk aktiv koblingskreds.

Den hidtil mest effektive antennetype for opfangning af radiobølger over et bredt frekvensspektrum i hvert fald i AM-området er den såkaldte stavantenne,. dvs.. en fra jord isoleret ledning af stor længde. Denne form for antenne opviser imidlertid tre hovedulemper, nemlig 1) at den kan være besværlig at montere, 2) at den generelt er uegnet til transportable modtagere (omend egnet som fast antenne dertil), og 3) at den villigt opfanger ikke blot radiobølger, men også elektriske støjsignaler fra mange støjkilder, f.eks. gnistudladninger i bilmotorer eller elektromotorer i antennens nærhed.

Ferritantenner udmærker sig ved netop ikke at opvise disse ulemper, omend de samtidigt har en forholdsvis ganske lav effektivitet. På grund af deres meget begrænsede størrelse og kompakte udførelse vil de være lette at montere praktisk taget hvor som helst og herunder netop indvendigt i transportable radioer, hvilket er det altdominerende omvendelsesområde for disse antenner. Det viser sig, at den magnetiske komponent af radiobølger sammenlignet med den elektriske er langt mindre befængelig med vilkårlig støj f.eks.

4 147560 fra fænomener i de nære omgivelser, og selvom det i antennekredsen indvundne signal er langt svagere end signalet fra en stavantenne, så kan man herved til gengæld tillade sig at underkaste det en meget kraftigere forstærkning uden at støjen i det opfangede signal bliver generende. Med andre ord, signalstøj-forholdet ved en ferritan-tenne er væsentlig bedre end ved en stavantenne, og resultatet ved brug af en indbygget ferritantenne er generelt rimeligt tilfredsstillende. Tilbage er blot, at den indbyggede antenne er bundet til at følge radiomodtageren, dvs. modtagningen bliver dårlig, når modtageren befinder sig i omgivelser, f.eks. inde i et jernbetonhus, hvor ra-' diobølgeme er svækket, ofte til ubrugelighed.

I omgivelser af den art vil det således normalt være nødvendigt eller ønskeligt, at der monteres en fjernantenne udvendigt eller i hvert fald i bedre egnede omgivelser, og de fleste transportable radioer har da også et stik til en udvendig antenne, hvorved man selvsagt blot må acceptere den ulempe, at radioen ved tilkobling til denne antenne vil være knap så frit omflyttelig.

Det ville herved yderligere være ønskeligt, at den udvendige antenne kunne udgøres af en ferritantenne, netop fordi denne under alle forhold er helt anderledes let at montere end en stavantenne. Dette støder imidlertid på den vanskelighed, at man i praksis ved sådanne antenner dårligt kan arbejde med en enkelt meget bredt afstemt antenneresonanskreds, dvs. det er ønskeligt at benytte kredse eller kredskomponenter, der er omkoblelige i forbindelse med omkoblingen af radioen til modtagelse af forskellige, afgrænsede frekvensbånd, typisk henholdsvis lang- og mellembølgeområdet, og en sådan omkobling vil normalt være enten umulig eller i hvert fald meget besværlig, hvis antennen ikke er fast forbundet med' radioen i dennes helt umiddelbare nærhed. Oftest benyttes flere forskelli- 5 147560 ge, indbyrdes omkoblelige spoler på antennestaven, og spolernes forbindelsesledninger med den eller de tilhørende kondensatorer i svingningskredsene skal være meget korte, da godheden af de enkelte kredse ellers vil blive svækket betydeligt dels af den ohmske modstand i ledningerne og dels af de "snyltekapaciteter", som ledningerne repræsenterer. Man kunne anbringe kondensatorerne i direkte tilslutning til den fjernt anbragte antennestav, idet signaludtaget fra den indkoblede svingningskreds udmærket kan forbindes med radioens antennestik via lange ledninger, men det ville i så fald være nødvendigt eller højst ønskeligt at arrangere en fjernbetjening af omkoblingsmidler ved selve antennen, og det er selvsagt ikke særligt attraktivt.

Imidlertid vil man ved brug af den allerede nævnte "negative spole" kunne opnå en sådan bredbåndet éliminering af ferritantennens impedans, at det samlede antennesystem er brugbart over et meget stort frekvensområde, dvs. det muliggøres herved, at man kan erstatte en stavantenne med en langt lettere monterbar ferritantenne.

For opnåelse af et bredt effektivt frekvensområde for antennen vil det være ønskeligt, at antennespolen eller -spolerne forsynes med mange vindinger, der samtidigt betinger dannelsen af et induceret signal af betragtelig styrke. Mange vindinger vil imidlertid normalt være ensbetydende med en uønsket stor såkaldt "parallelkapacitet" i spolen, men ved brugen af en "negativ spole" vil også denne kapacitet udkompenseres, og det vil derfor i praksis være muligt at øge vindingstallet i forhold til den kendte teknik og derved opnå yderligere forøgelse af antennekredsens nyttevirkning.

Det skal i den forbindelse fremhæves, at den foretrukne anvendelse af en parallelantenne i kompensationskredsen vil indebære, at det modtagne radiobølgesignal optræder i begge antennerne, således at de pågældende velorienterede signaler lader sig addere, medens den samtidigt uundgåelige selv- 6 147560 genererede støj i de to antenner eller disses spoler vil være af vilkårlig orientering, hvorved de pågældende støj-signaler i de to antennesystemer tilsammen kun vil øges med faktoren 2, dvs. signal/støj-forholdet vil blive 2 gange så godt som hidtil, hvilket i den betragtede sammenhæng er særdeles væsentligt.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til tegningen, der skematisk viser et diagram af en antennekreds ifølge opfindelsen.

På en ikke vist ferritstang er anbragt en spole (med induktans ), og på en anden ferritstang er anbragt en spole I12 (med induktans L2) · De to spoler er helt eller næsten helt ens og serieforbundet i en antennekreds med udgangsterminaler og T2· Imellem det fælles punkt P af spolerne og L2 er indskudt en forstærker F, som strømforsynes på ikke vist måde (men fortrinsvis gennem forbindelsesledningerne mellem og T2 og den tilhørende radiomodtager). Denne forstærker, som har forstærkningsfaktoren to i tilfælde af, at spolerne og L2 er ens, modtager sit indgangssignal fra spolen L2 og påtrykker det forstær-

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

\ \„

X

X

\ v

X

v 7 147560 kede signal på spolen L1 på en sådan måde, at denne herved påtrykkes en spænding, som er lig med, men modsat rettet den spænding, der søges fremkaldt i spolen ved induktion fra den tilhørende ferritstav svarende til forholdene i spolen L2· Den samlede "impedans" i de serieforbundne spoler L.| og I>2 med tilhørende forstærker set fra de spændingsgeneratorer, som spolerne kan ækvivaleres med, vil således være nul for en hvilken som helst frekvens, og resultatet vil være, at man har fuld rådighedseffekt i kredsen for alle frekvenser.

Selvom den resulterende impedans af spolesystemet er nul, vil der dog vektorielt forekomme den dobbelte inducerede spænding mellem enderne af systemet, og denne signalspænding føres til radiomodtagerens selektive afstemningskreds evt. gennem lange antenneledninger. De to spoler er indbyrdes "negative", men den inducerede bølgeenergi i begge spoler indgår i rådighedseffekten, og som nævnt optræder det særlige og væsentlige forhold, at de vektorielt ensrettede signaler adderes til fordobling (dvs. med signalstyrkeforbedring 6 dB), fordi de er korrelerede, medens de i spolerne selvgenererede, ukorrelerede støjsignaler kun adderes for kvadratrodens vedkommende, dvs. støjforøgelsen vil kun være 3 dB, hvorved signal/støj-forholdet tilgodeses på yderst fordelagtig måde.

I praksis kan forstærkeren F bestå af en enkelt field effect transistor med gate forbundet til fællespunkter P mellem spolerne og L2, med drain forbundet til strømforsyningen og med sourcen forbundet til midtpunktet på en autotransformator indskudt mellem de ydre ender af spolesystemet, fortrinsvis en autotransformator viklet på en såkaldt toroid-ringkerne.

.Impedansen i spolen kan vælges forskelligt fra L2, og forstærkningen A i forstærkeren F skal herved blot opfylde betingelsen A £ + 1 . Som nævnt vil det være fordelagtigt L2 147560 δ netop at bruge to ens eller næsten ens spoler til formålet, men principielt er der intet i vejen for, at man kan frembringe en "negativ spole" ved andre koblinger, f.eks. ved brug af en kondensator i forbindelse med en såkaldt negativ 5 impedans konverter.

Opfindelsen er her beskrevet i forbindelse med en ferrit-antenne, som er velegnet til brug som fjernantenne, fordi den kan dække et meget bredt frekvensområde uden omkoblinger. Det vil dog forstås, at antennen kan laves med omkob-10 lingsmulighed, ifald et endnu bredere område ønskes dækket; subsidiært kan anvendes to forskellige antenner med separate ledninger, hvorved en omkobling kan udføres inde i radiomodtageren.

En ferritantenne ifølge opfindelsen vil umiddelbart opvise 15 samme retningsfølsomhed som konventionelle ferritantenner, og ved fast anbringelse af antennen kan dette indebære en ulempe. Imidlertid vil det være muligt at ophæve retningsvirkningen ved brug af to antenner, der anbringes f.eks. vinkelret på hinanden, idet man derved evt. også ad elek-20 trisk vej kan udvirke en sådan indbyrdes fasedrejning af signalerne, at antennesystemet bliver fuldt følsomt i alle retninger. Ikke mindst i større antenneanlæg, f.eks. fællesantenner, vil man derfor med fordel '.kunne dyrke opfindelsen, idet man ved brug af et "batteri" af lidet pladskrævende an-25 tenner kan opnå stor signalstyrke uden nogen mærkbar retnings v ir kn in g.

Opfindelsen er imidlertid ikke begrænset til radioantenner af ferrittypen, idet den også er fordelagtig anvendelig i forbindelse med andre former for "antenner" til modtagelse 30 af magnetiske signaler, f.eks. modtagespoler i tonefrekvente teleslyngeanlæg, .idet antennens gode signal/støj-forhold i sig selv er en væsentlig fordel uanset om man tillige udnytter antennens evne til at være effektiv over et meget bredt frekvensområde. Det er uden betydning, om det drejer 9 147560 sig om signalmodtagerspoler med eller uden jernkerne, og af andre anvendelsesområder kan nævnes spoler i båndtonehoveder, luftspoler i pick-up'er og spoler til trådløs dataoverføring over korte afstande.

5 Som nævnt kan man søge at mddvirke retningsfølsomheden af en ferritantenne ifølge opfindelsen, men det vil være klart, at antennen vil være fordelagtig også i tilfælde, hvor retningsvirkningen er direkte ønsket, f.eks. ved pejleantenner eller blot for mulig afskærmning af forstyrrende sendesta-10 tioner.